隨著水產養殖業的快速發展,蝦、蟹等甲殼類動物養殖量迅速擴大。中國每年消費的僅南美白對蝦單一品種約200萬噸,隨著國內小龍蝦、蟹的養殖量逐年上升,這些甲殼類水產品加工產生了大量的殼廢棄物。甲殼類可食用的部分佔比其鮮重不足50%,剩餘的不可食用部分通常當作為低值廉價的廢棄物處理。實際上這些廢棄物富含可被人類利用的物質,以南美白對蝦加工剩餘廢棄物(蝦殼)為例,它含有約50%的蛋白質、20%的幾丁質、25%的礦物及蝦青素。
幾丁質是自然界中除纖維素外的第二大生物質,除了存在於甲殼類、昆蟲等動物的外骨骼中外,還存在於大多數真菌的細胞壁中。與纖維素等多糖不同,幾丁質是N-乙醯葡萄糖胺經β-1,4糖苷鍵聚合形成的含氮多糖,地球上幾丁質的含氮量超過人類通過Haber-Bosch方法(氮肥合成的方法)固定的氮氣總量。N-乙醯葡萄糖胺在哺乳動物中有重要的生理功能,比如它是透明質酸和關節滑液合成的重要前體,近十年的研究也發現蛋白質(包括轉錄因子)的N-乙醯葡萄糖胺修飾,調控了眾多的免疫激活、代謝調節等通路,這些機制賦予了幾丁寡糖豐富的生物學活性,包括美顏、緩解關節炎、血糖調節、抗腫瘤、抗炎作用等作用,其價值被越來越多的人關注。
傳統的蝦蟹殼廢棄物通常作為廉價的飼料原料使用,甲殼中的蛋白質、幾丁質及礦物的緊密纏繞及填充,動物消化道蛋白酶很難降解消化其中的蛋白質,而缺乏幾丁質酶使得幾丁質完全無法被哺乳動物消化。由於缺乏可用的幾丁質酶,傳統的蝦蟹殼幾丁質高值化利用工藝,通常採取鹼脫蛋白、酸脫礦製備幾丁質,強鹼脫乙醯基製備殼聚糖、殼聚糖酶水解製備殼寡糖的工程。傳統工藝製備一噸幾丁質相關產品,要消耗約25噸氫氧化鈉和2.5噸的鹽酸,同時排放大量含氮的酸鹼汙水,殼寡糖也因脫除了乙醯基而丟失部分生理功能。
羅曉春教授課題組前期獲得了高產的重組幾丁質酶rChit46,可以高效降解幾丁質得到幾丁寡糖,突破了以往幾丁質缺乏有效幾丁質酶,無法直接水解的技術瓶頸。結合篩選的兩個重組酸性蛋白酶rP6281及rSP,可回收91.4%的蛋白;再通過rChit46的水解,回收88.9%的幾丁質成為幾丁寡糖產品;除去蛋白及幾丁質的殘渣很容易抽提得到蝦青素,與剩餘的礦物分離。該工藝首次實現了蝦殼蛋白、幾丁質、蝦青素及礦物的零浪費(zero-waste)的綠色回收,該技術突破了傳統甲殼利用的高汙染高成本的短板。相關技術可應用於除南美白對蝦蝦殼外的其它幾丁質廢棄物的高值化利用,包括小龍蝦殼、蟹殼及發酵真菌菌渣等。
該研究得到了廣東省海洋經濟發展專項資金GDME-2018c008及GDOE[2019]A20項目的資助。
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